Densité surfacique de puissance

Pour une surface frontière définie, en un point de cette surface, la densité surfacique de puissance est le flux de la puissance transférée par unité de surface. Cette grandeur est donc définie sur le plan microscopique, par la puissance qui transite en un point d'une surface donnée, lequel est à la frontière du système physique considéré.

L'intensité des ondes électromagnétiques peut être exprimée en W/m². C'est le cas, par exemple, de la constante solaire.

La densité de puissance solaire reçue par une surface au sol varie en fonction de l’angle d’incidence des rayons lumineux : plus cet angle augmente (c’est-à-dire, plus on se situe à une latitude élevée au-delà d'un tropique), plus cette densité de puissance reçue diminue.

En amont, la puissance reflète la vitesse de transfert d'une énergie. La densité surfacique de puissance est donc directement reliée à la manière dont un système acquiert ou transfert de l'énergie à travers une frontière donnée ; le transfert d'ensemble étant l'intégrale de la densité surfacique de puissance sur toute la surface frontière. De ce point de vue, la densité surfacique de puissance est donc une grandeur intensive, variable d'un point à l'autre de la surface. De plus, ce transfert d'énergie va d'un point à un autre, et a donc, dans le cas général, un caractère vectoriel : la densité surfacique de puissance traversant une surface élémentaire dépend de l’orientation de cette surface. L'expression de cette grandeur physique dans le cas général est donc :

${\displaystyle {\vec {\varphi }}\cdot }$${\displaystyle {\vec {\mathrm {d} S}}}$${\displaystyle ={\mathrm {d} }}$${\displaystyle P}$

Inversement, une densité surfacique de puissance moyenne peut être définie par la puissance effectivement transmise, divisée par la surface permettant cette transmission - cette grandeur est alors globale pour le système considéré, mais n'a de sens que par rapport à ce système. La densité surfacique de puissance, ou simplement puissance surfacique, est alors la quantité de puissance (débit d'échange d'énergie) du système physique considéré, ramené par unité de surface.

En génie énergétique, la densité de puissance moyenne d’un dispositif ou d’une centrale (qui exploitent une source d'énergie) est la quantité moyenne d’électricité qu’elle produit rapportée à sa surface sur une période de temps donnée (par exemple, 1 jour, ou 1 an). Elle peut être confondue, à tort, avec la densité surfacique d'énergie.

Par ailleurs, on compare souvent différentes installations de production d'énergie renouvelable comme les éoliennes ou les panneaux photovoltaïques selon leur densité de puissance moyenne annuelle, mesurée en W/m², et calculée en prenant leur production annuelle d'énergie, divisée par la surface de terrain occupée et le nombre d'heures dans une année.

Par exemple, en France, les éoliennes terrestres ont généralement une production de puissance de l'ordre de 2 W/m² en moyenne sur l'année, et les centrales solaires situées dans le sud de la France ont généralement une production de puissance de l'ordre de 4 à 8 W/m² en moyenne sur l'année.

La densité surfacique de puissance de la filière non renouvelable (fossile ou nucléaire) est généralement très supérieure à celle des filières renouvelables (éolienne, solaire, ...), car elle dépend peu de la superficie exploitée, contrairement aux filières renouvelables. Un exemple est donné dans le tableau comparatif ci-dessous.